PROYECTO: plano inclinado con cronómetro (2018)

Contenido

• Introducción
• Componentes necesarios para el montaje
  • Sensor infrarrojo TCRT5000
  • Pantalla LCD
  • Arduino UNO
• Simulación en TinkerCAD
• Programación
  • Arduinoblocks
  • Código Arduino
• Análisis de los resultados
• Vídeo del montaje
• Futuras mejoras (TO-DO)

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Introducción

Habéis presentado un proyecto en la Semana de la Ciencia y la Tecnología consistente en el estudio del movimiento en un plano inclinado, indicando que las características del movimiento de la bola no dependía de su masa, sino de la aceleración de la gravedad y de la inclinación del plano. La ecuación del movimiento para una caída libre nos dice:

Expresión (1)

Teniendo en cuenta que tanto el espacio recorrido inicialmente, como la velocidad inicial los vamos a tomar como cero, la ecuación nos quedaría:

Expresión (2)

Teniendo en cuenta las características geométricas del plano inclinado, puede decirse que, en función de su ángulo de inclinación, α, la aceleración valdrá:

Expresión (3)

Sustituyendo esto en la ecuación anterior, tendremos:

Expresión (4)

Y, si ahora despejamos el valor de “g”, tendremos:

Expresión (5)

Esta última expresión nos está diciendo que si conocemos el espacio recorrido por la bola al caer, el tiempo que ha tardado en hacerlo y el ángulo de inclinación del plano, podremos estimar el valor de la aceleración de la gravedad, g. Pues bien, para conocer el tiempo de caída es para lo que vamos a diseñar nuestro montaje.

Componentes necesarios para el montaje

Sensor de Infrarrojos TCRT5000

Montaremos dos: uno en el inicio del recorrido, para disparar el contador de tiempo, y otro al final, para detenerlo.

Podemos consultar su datasheet en este enlace. Podemos verlo en estado de reposo (1) o activo (2)

ESTADO DE REPOSO	ESTADO ACTIVO
(1)	(2)

Pantalla LCD

Es el componente que utilizaremos para mostrar la información

Arduino Uno

La tarjeta controladora para la que escribiremos nuestro programas.

CONEXIONADO DE LOS PINES DE ARDUINO

PIN	OPERADOR
2	D0 Sensor Infrarrojo Superior
3	D0 Sensor Infrarrojo Inferior
4	Botón pull-down
6	LCD PIN4 (RS, Register Select)
7	LCD PIN6 (Enable)
8	LCD PIN14 = D7
9	LCD PIN13 = D6
10	LCD PIN12 = D5
11	LCD PIN11 = D4
13	LED indicador de estado de la medición de tiempo ON = midiendo

PINOUT DEL LCD 1602C

PIN LCD	FUNCIÓN	CONEXIÓN
1	GND alimentación	GND
2	Vcc alimentación	+5V
3	Regulación contraste	Potenciómetro
4	Register Select, RS	PIN 6
5	Read/Write	GND
6	ENABLE	PIN 7
7	D0
8	D1
9	D2
10	D3
11	D4	PIN 11
12	D5	PIN 10
13	D6	PIN 9
14	D7	PIN 8
15	Vcc LED backlight	+5 V (con R = 220𝛺)
16	GND LED backlight	GND

Simulación en TinkerCAD

En este otro enlace podemos ver una simulación en TinkerCAD del montaje, en la que hemos sustituido los TCRT5000 por dos pulsadores del tipo pushbutton, dado que en TinkerCAD no encontramos a los sensores infrarrojos (se podría haber hecho un montaje similar con una barrera fotoeléctrica, por ejemplo).

Programación

Programación en Arduinoblocks

Hemos desarrollado este programa en Arduinoblocks:

que está disponible en este enlace

Código Arduino

 

#include <LiquidCrystal.h>

double tiempo1;
double tiempo2;
double tiempo3;
double Marcha;
double tiempo4;
double TiempoCaida;

LiquidCrystal lcd(6,7,11,10,9,8);

void setup()
{
  lcd.begin(16, 2);

pinMode(2, INPUT);
pinMode(13, OUTPUT);
pinMode(3, INPUT);
  tiempo1 = 0;
  tiempo2 = 0;
  tiempo3 = 0;
  tiempo4 = 0;
  TiempoCaida = 0;
  Marcha = 0;

}


void loop()
{

    if ((!digitalRead(2))) {
      lcd.clear();
      Marcha = 1;
      digitalWrite(13, HIGH);
      tiempo2 = millis();
      while (!((Marcha == 0))) {
        tiempo4 = millis();
        lcd.setCursor(0, 0);
        lcd.print(String("Contando: "));
        lcd.setCursor(10, 0);
        lcd.print(((((tiempo4 - tiempo2)) / 1000)));
        lcd.setCursor(15, 0);
        lcd.print(String("s"));
        if ((!digitalRead(3))) {
          Marcha = 0;

        }
      }
      tiempo3 = millis();
      TiempoCaida = (tiempo3 - tiempo2);
      lcd.setCursor(0, 0);
      lcd.print(String("Tiempo de caida: "));
      lcd.setCursor(1, 1);
      lcd.print(((TiempoCaida / 1000)));
      lcd.setCursor(7, 1);
      lcd.print(String("segundos"));
      digitalWrite(13, LOW);

    }
    digitalWrite(13, LOW);

}
	
		

Análisis de los resultados

Hemos hecho varias simulaciones en el taller, cambiando el ángulo del plano, y hemos recogido los resultados obtenidos en el cálculo de “g” en una hoja de cálculo de Google, que puedes ver en este enlace.

Observamos que el resultado obtenido empeora para ángulos grandes.

Vídeo del montaje

Futuras mejoras (TO-DO)

Buscar una explicación a lo que se ha citado en el apartado anterior.